文章討論了電磁干擾（EMI）的來源。它描述了使用氣體避雷器、壓敏電阻、抑制二極管、扼流圈和鐵氧體、電容器或串聯電阻器的設計如何保護設備。描述了EMI測試的方法。

介紹

我們生活的越來越多的方面依賴于電子設備和電器的不間斷運行。“線控驅動”和“線控飛行”已成為日?，F實。特別是在自動化工廠和高可用性系統中，無法正常運行的電子設備會造成巨大的損壞和中斷。

理想的電子電路應該沒有有源電磁干擾（EMI，也稱為RFI或射頻干擾）源，并且不受外界干擾的被動影響。

最小化有源源的任務可能比防止干擾更容易。最小化EMI的常用技術包括線路濾波、電源設計、正確布局和屏蔽外殼。

電氣干擾可以通過電源線傳導，也可以通過電容、磁或電磁輻射通過空氣傳輸。通常，通過連接到設備的信號線傳導的干擾是最難管理的。在任何情況下，都必須區分防止損壞或故障的需要與防止信號或數據失真（例如微控制器程序序列中斷）的需要。第一個問題用硬件設計來攻擊，第二個問題用軟件算法來攻擊。

本文介紹了保護設備免受有害電壓和電流侵入的方法。

電磁干擾調節指南

認識到EMI的重要性，政府機構很早就承擔了通過法規加強設備兼容性的任務。例如，IEC 61000-4標準化了測試方法。與本次討論相關的部分包括用于靜電放電 （ESD） 的 IEC 61000-4-2、用于快速瞬變 （FTB） 的 IEC 61000-4-4 和用于高能瞬變 （SURGE） 的 IEC 61000-4-5。所有這些測試方法都依賴于電噪聲的真實模型。

在應用任何保護元素之前，請考慮以下基本規則：

在設計電路時應考慮EMI保護，而不是在之后添加。

盡可能靠近源頭阻止干擾，最好在干擾進入設備之前;將它們重定向到地面。

所有可能受到EMI干擾的部分，即使是電氣隔離的部分，都應盡可能遠離敏感電路。

由于信號電路無法承受千伏級電壓，因此必須從輸入中排除此類干擾，將其轉換為電流，然后再轉換為熱量。接地環路電流可以進入接口并貫穿整個電路，通常通過電流隔離來阻止。隔離對于工業系統中可能發生的較長線路和高接地環路電流特別有用。

峰值為30A的ESD電流脈沖在接地走線上可能僅產生數十毫伏的阻性壓降。然而，其極陡峭的上升時間（> 30A/ns）可能會在同一走線上產生數百伏的感性壓降（假設導線電感約為1nH/cm），足以導致數據錯誤。趨膚效應適用于這些高頻;它通過強制電流僅在導體表面的微米內流動來顯著增加導線電阻。為了抵消這種影響，接地連接需要較大的表面積來保持低電阻。

快速上升時間可以將FTB和ESD干擾從嘈雜部分電容耦合到所謂的安靜部分。在這種情況下，當設計人員通過在主電源變壓器上增加繞組來提供電氣隔離電源時，經常會犯一個錯誤。這種布置允許“感染線路”（外部信號的接地回路）污染整個電路。

作為一種緊湊、功能清潔且經濟高效的替代方案，可以使用基于MAX253驅動器的正激轉換器在電路外圍產生輔助電壓。MAX253提供較小的電路板空間，在干凈電位和噪聲電位之間提供有效的屏障。所需的微型變壓器可以采用低于 10pF 的耦合電容制造，但在隔離千伏時傳輸高達 1W 的功率（圖 1）。

圖1.小型變壓器和驅動器IC從5V電源軌獲得隔離式5V電源。有關1CT：1.3CT的詳細信息，請參見MAX2數據資料中的表253。

其他常用的EMI保護元件如下所述。

氣體阻攔器是一種充滿氣體的碟形電容器，通常是氖氣。超過~100V的過電壓會產生等離子體，將電壓限制在低電平并承載高電流。氣體避雷器吸收高水平瞬變，但不適用于快速瞬變，因為等離子體的出現需要一些時間。它們不適合電源保護，并且難以在低源阻抗下使用。正常工作時的漏電流非常低。

壓敏電阻是一種由金屬氧化物（主要是鋅）制成的避雷器，通常形狀像帶有兩個連接器的平板電腦，每側一個。壓敏電阻的行為類似于齊納二極管，其響應速度比氣體抑制器快得多，但漏電流較高，尤其是當信號接近鉗位電壓時。

抑制器 （TransZorb） 二極管用于限制低電壓電平下的快速瞬變。其功耗能力因外形尺寸而異。至于壓敏電阻，它們在其擊穿電壓附近表現出明顯的漏電流。結電容也很重要，因此在快速系統中，它們通常通過二極管橋去耦。?

ESD結構是一種新穎的設計，其行為有點像音調。這些設計集成在MAX202E、MAX485E、其它RS-232/RS-485收發器IC中，最近還集成在模擬多路復用器（如MAX4558）中。它們具有低電容和低漏電流特性，適用于ESD和FTB保護。

扼流圈、鐵氧體可以衰減高頻和快速電壓峰值，但不吸收太多能量。注意諧振效應，并始終與衰減電容器（通常是T型結構的LC濾波器）一起使用。電感器制造商通常指定自諧振頻率（SRF）。SRF 來自電感的寄生電容，當在 SRF 上方工作時，該電容會抵消電感。為了獲得更好的性能，請使用電感器作為SRF下方的RF扼流圈，切勿在SRF上方使用電感器。這些器件經常用于防止共模干擾和電源濾波。

電容器可能是最重要的保護元件。電容器的重要特性是等效串聯電阻 （ESR）、電感、大電流能力和電壓能力。在布局中正確放置電容器對于最小化EMI至關重要。如果使用得當，電容器會從低通濾波器產生高頻接地，繞過RF信號到地。電容器還具有自諧振頻率，在該點上它變為感性。就像電感器一樣，應在SRF下方使用電容器。理解這一點的另一種方法是確保SRF遠高于需要濾波的噪聲頻率。

串聯電阻器也是最重要和成本最低的保護元件之一。根據電阻和功耗正確選擇串聯電阻器，可以取代成本更高的元件，結果相當。

良好的布局設計可以最大限度地減少EMI的影響?？焖匍_關電流產生磁場，快速變化的電壓產生電場，可能導致不希望的耦合。通過使用良好的接地和屏蔽外殼，可以最大限度地減少電磁耦合。正確放置過孔始終是一種好的做法。具有多個旁路電容器過孔，因為多個過孔會降低電阻和電感。此外，避免使用接地電壓電位不穩定的接地。攜帶高頻信號的走線會產生時變電磁波，可以傳播干擾的原因。90度角的兩條走線使兩個信號之間的干擾最小。良好的外殼接地還有助于防止外部信號進入系統。這反過來又屏蔽了電路。

以下示例說明了這些組件的使用、一些工作原理和可能的陷阱。

熱電偶

熱電偶信號具有準靜態處理的優勢。為了防止接地環路電流造成的信號失真，大多數熱電偶應用在信號采集和信號處理電路之間提供電流隔離。如圖2a所示，差分信號通過多路復用器饋送到儀表放大器的輸入端，然后從那里饋送到模數轉換器（ADC）。光電耦合或磁耦合通過隔離柵傳輸ADC的數字輸出。

圖 2a.這些組件處理來自熱電偶的差分信號。

熱電偶可通過每個電極上的2kΩ和100nF的簡單低通RC網絡輕松保護。一個具有高額定電壓的附加 1nF 分流電容器連接設備的電路公共框架和接地框架。該電容器將ESD干擾轉移到地，同時保持直流電流的電氣隔離。它還構成一個電容分壓器，用于限制隔離電源的峰值電壓。為了進一步限制峰值電壓，可以將高壓壓敏電阻與分流電容并聯（圖 2b）。

圖 2b.高壓壓敏電阻（左下）限制峰值電壓。

2kΩ電阻必須足夠大，以承受高電壓（高達±8kV ESD），并在FTB和U浪涌測試期間耗散大量能量。不幸的是，后續電路輸入端（即隔離柵之前）的漏電流可能會流過該保護串聯電阻，從而產生大量的靜態信號誤差。例如，多路復用器可能會引入不可接受的錯誤;為緩沖多路復用器而添加的放大器可能會引入額外的輸入失調和輸入電流誤差，同時增加系統的成本和電路板空間。

MAX4051A多路復用器與工業標準MAX4051引腳和功能兼容，提供中等成本的替代方案。在擴展溫度范圍內，其漏電流保證在 5nA （最大值），在 +2°C 時典型值僅為 25pA。 因此，串聯電阻器上最壞情況下的溫度泄漏會產生僅2μV的最大誤差。對于大多數熱電偶來說，這個誤差已經足夠了。如果應用需要更小的誤差，基于MAX4254四通道運算放大器的儀表放大器緩沖器在整個溫度范圍內可將漏電流降至100pA （最大值），在+1°C時降至25pA （典型值）。 此外，低輸入失調電壓（V操作系統） 漂移 （僅 0.3μV/°C） 使得該緩沖器對高阻抗、低電平信號極為有效。

另一種選擇是單芯片MAX1402信號采集系統，包括Σ-Δ型ADC、緩沖放大器、多路復用器、傳感器激勵電流源和用于信號驗證的燒毀電流源。它具有非常低的輸入漏電流，并具有實現冷端補償等應用的靈活性。

角度編碼器

工業角度編碼器確定電機中的轉子位置。精密定位系統具有雙通道、正交、差分正弦波（一些制造商稱為“正弦”信號）?？傊?，這些正弦曲線形成一個指針，可以精細地解析轉子位置。除了模擬位置信號線外，此類系統通常還包括RS-422或RS-485線，用于初始化編碼器并設置其參數。在某些情況下，這些線路長距離運行，傳輸低千赫茲頻率和高達每秒兆比特的數字數據速率的模擬信號（圖 3）。

圖3.該光學編碼器系統中的通信由模擬“正弦”信號和雙向數字數據信號組成。

因此，排除了大串聯電阻和無源RC組合形式的保護，但需要線路端接電阻（通常為120Ω）以防止反射。主要需求是防止ESD和FTB干擾。在采用傳統數據收發器的系統中（圖 4），差分發射器的輸出電壓受抑制二極管和去耦二極管的限制。（去耦二極管是反向偏置的，以將寬帶數據信號與抑制二極管的電容去耦，否則會嚴重衰減信號。

圖4.該二極管/抑制器網絡可防止ESD、FTB和浪涌故障造成的損壞。可選的 PTC 保險絲可防止與危險電壓的故障連接。

為接收器提供類似的保護，但有一個重要的區別：為了保證不對稱的共模范圍（EIA-7A為-12V至+422V），限幅網絡也必須是不對稱的。發射器輸出和接收器輸入符合相同的共模范圍，因此為了方便和經濟起見，兩者都由相同的抑制二極管保護。但是，MAX490E是集成ESD和FTB保護網絡的RS-422收發器，可以取代整個保護網絡。

作為良好做法，收發器接地應連接到外殼/接地，連接時間應盡可能短。如果線路被屏蔽（強烈推薦?。?，屏蔽也應該用短連接連接到這一點上。如果預計分離的接地電位之間會有較大的交換電流，則應在屏蔽和接地之間插入一個100Ω串聯電阻，最好用低ESR電容旁路。

如果系統需要浪涌保護，則不可避免地使用外部保護網絡。在這種情況下，建議拆分線路端接，使其也可以用作限流電阻。這在接收器側很容易實現，信號電平損失適中。對于驅動器側，鑒于MAX10E的差分輸出阻抗約為490Ω，必須驗證大約40Ω的串聯電阻是否可以接受。圖4還給出了一個可能的電路，包括與數據線串聯的PTC保險絲。

標準信號接口

為系統選擇的信號傳輸模式受系統可能呈現的大量信號源和傳輸距離的影響。對于更高的帶寬和更長的線路，通常需要（特別是在易受干擾的系統中）將信號轉換為更高的電平：0V至10V;-10V至+10V;4mA至20mA;或者在某些情況下，差分模擬，如角度編碼器。其他系統更喜歡由電線、光纖或無線電鏈路承載的數字格式。在所有情況下，都應通過將傳感器放置在盡可能靠近信號源的位置來最大程度地減少噪聲影響。

例如，±10V接口通常用于設置電機控制應用中的目標位置。這些環境嘈雜，當發生接線錯誤時，24V 工業電源（始終存在于機柜中）可能會造成危險。Maxim的信號線保護器MAX4506/MAX4507具有60Ω通道電阻和在整個溫度范圍內的最大20nA漏電流。它們還為該接口提供了優雅的保護（圖 5）。電源電壓范圍內的信號通過這些IC幾乎不受影響。

圖5.該信號線保護器IC保護±10V接口。

如果干擾導致受保護的端子信號超過正或負電源電壓，則線路保護器芯片對故障信號具有高阻抗。它可承受高達 36V 的故障電壓，或在電源關閉時可承受高達 ±40V 的故障電壓。圖6顯示了這些器件的輸入至輸出傳遞函數。

圖6.該傳遞函數說明了MAX4506/MAX4507信號線保護器的箝位效應。

使用MAX4506或MAX4507等元件，圖5給出了±10V標準信號輸出的可能保護方案。輸出通常比輸入更難保護，盡管輸入端保護元件引入的泄漏會導致信號錯誤。在每個接收器輸入或發送器輸出的線路端子和接地/接地之間插入一個雙向抑制二極管就足夠了，該二極管提供±30V箝位電壓。

由于抑制二極管的箝位電壓遠遠超出標準信號范圍，因此源自抑制二極管的任何失真漏電流都非常低。線路信號由反饋調節，而低信號線路保護器的串聯電阻對驅動器擺幅的要求最低。（假設接收器的最小負載電阻為100kΩ，則壓差僅為10mV。這種保護即使在連續故障（如上所述，高達24VDC）下也適用，而不會危及抑制二極管或電路。

類似地，接收器側的信號輸入可以通過在緩沖放大器前面插入信號線保護器來保護。MAX197是專用的A/D轉換器，具有±16V的內部故障保護，通過在輸入端并聯雙向抑制二極管（提供±15V箝位電壓）提供簡單有效的保護。每個輸入通道的軟件可編程輸入范圍使MAX197能夠處理上述標準電壓范圍。如果需要更高級別的保護，可以將MAX4507八通道信號線保護器放在MAX197前面。

EMI 抗擾度測試和測量技術

靜電放電抗擾度測試 （IEC 61000-4-2）

測試發生器由一個高壓 150pF 電容器組成，該電容器通過 330Ω 串聯電阻放電（圖 7）;開關;以及一個電極，形狀模擬手指，排放到被測設備 （EUT） 中。

圖7.一個簡單的測試電路將受控的ESD脈沖施加到測試設備。

測試規范區分了接觸放電和空氣放電。通過在關閉開關時用測試手指觸摸設備外殼來施加接觸放電。此過程將設備表面暴露在測試電壓（±2kV、±4kV、±6kV 和 ±8kV）下，減去流過串聯電阻器的電流引起的壓降。由此產生的短路電流如圖8所示。

圖8.圖1電路中的ESD“zap”在被測器件（DUT）中產生該電流。

通過將測試尖端盡快朝向表面，對絕緣表面施加空氣放電。測試需要至少10次測量，在每個標準測試電壓（±2kV，±4kV，±8kV和±15kV）下至少間隔一秒鐘。目標是通過測試到為該類設備指定的極限來找到設備外殼內最薄弱的點。使用相同的測試發生器，通過將測試尖端連接到靠近設備外殼（即約10cm）的金屬板上，實施了額外的電容耦合測試。該測試僅適用于用戶在正常操作和維護期間接觸的設備部件。

快速瞬態突發測試 （FTB） （IEC 61000-4-4）

FTB測試將測試信號電容耦合到電源線或信號線上。它采用形狀像管子的耦合裝置，并將被測線封閉約一米。測試信號由大約 75 個高壓脈沖組成，以 3Hz 重復率突發傳輸。每個脈沖的上升時間約為5ns，50Ω負載下的下降時間（至峰值的50%）為50ns，100Ω負載為1000ns。脈沖之間的時間為10μs或200μs（圖9）。

圖9.FTB 突發中的測試脈沖如圖所示。

為了產生低負載電阻所需的高電壓，該發電機的輸出電阻遠低于ESD發生器的輸出電阻。測試脈沖的峰值幅度范圍為±0.25kV至±0.5kV以上，50Ω負載時為±1kV至±2kV。在1000Ω時，負載幅度為±0.5kV、±1kV、±2kV和±4kV。一個像樣的電纜屏蔽層，在設備側正確連接到地面/接地，可以消除此測試的很多麻煩。

高能量瞬變浪涌抗擾度測試 （IEC 61000-4-5）

考慮到對設備的潛在損壞危險，最嚴格的測試是針對高能量瞬變的測試，即浪涌測試。在該測試中，電源線、非屏蔽信號線或電纜屏蔽層由具有長持續時間高壓脈沖的低值串聯電阻驅動。脈沖的上升時間和下降時間約為2μs（達到峰值的50%）;主線的振幅范圍為±50.0kV至±5kV，信號線的振幅范圍為±2kV。

對于電源線，SURGE 測試使用一個 9μF 直流去耦電容器并聯測試信號，串聯電阻低至 10Ω（在某些情況下，根本沒有電阻）。非屏蔽信號線的串聯電阻低至40Ω，線對線或線對地。串聯添加90V氣體避雷器可防止測試之間信號線的容性負載（圖10a，10b）。

圖 10a.測試設置：將測試信號電容耦合到交流或直流線路。

圖 10b.測試設置：耦合到非屏蔽、不對稱操作的線路。

審核編輯：郭婷